Når musikken ændrer sig, ændrer dansen sig også:Styrende elektroniske tilstande i kagome-metaller

At spille et andet soundtrack er fysisk set kun en lille ændring af vibrationsspektret, men alligevel er dets indvirkning på et dansegulv dramatisk. Folk længes efter denne lille trigger, og efterhånden som en salsa skifter til en tango, opstår der helt andre kollektive mønstre.

Elektroner i metaller har en tendens til kun at vise én adfærd ved nul temperatur, når al kinetisk energi er slukket. Man er nødt til at frustrere den elektroniske interaktion for at bryde dominansen af ​​en bestemt elektronisk ordre og tillade flere mulige konfigurationer. Nylige resultater offentliggjort i Nature Physics på kagome-net tyder på, at dette trekantede gitter er ret effektivt til at gøre det.

Opkaldt efter det japanske bambus-kurv-vævede mønster, er et todimensionelt (2D) kagome-gitter konstrueret af en række hjørnedelte trekanter. Når hvert hjørne er optaget af magnetiske momenter med antiferromagnetiske korrelationer, favoriserer de nærmeste nabo-interaktioner anti-justerede spins.

Systemet er derfor geometrisk frustreret for at nå en magnetisk ordnet tilstand, normalt omtalt som magnetisk frustration. I slutningen af ​​1980'erne blev det vist, at det antiferromagnetiske kagome-gitter kan være det mest frustrerede 2D-magnetiske system, man kan konstruere.

En særlig gruppe af kagomesuperledere har for nylig tiltrukket intens videnskabelig debat, med en række undersøgelser, der afslører tilsyneladende modstridende egenskaber i disse materialer.

Nu har et internationalt forskerhold ledet af videnskabsmænd ved Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) i Tyskland formået at undersøge et medlem af denne gruppe af kagome-materialer uden ydre forstyrrelser - et afgørende skridt for at forstå dets iboende elektronisk grundtilstand.

Når 2D-kagome-net kombineres til 3D-metaller, bliver disse såkaldte kagome-metaller et rigt testbed til at udforske samspillet mellem ikke-trivielle topologiske excitationer og stærke elektroniske korrelationer. Desuden forhindrer den stærke geometriske frustration de elektroniske ordrer i at blive etableret, da flere mulige grundtilstande er næsten energetisk degenererede, hvilket betyder, at der eksisterer to eller flere mulige elektroniske grundtilstande, der er næsten energetisk ækvivalente.

Med systemets energiskala yderligere normaliseret af de elektroniske korrelationer, viser kagome-metaller ofte sammenflettet elektronisk orden, da selv ubetydelige forstyrrelser drastisk ændrer deres fysiske egenskaber.

På grund af deres strukturelle sammensætning og magnetiske frustrationer reagerer kagome-materialernes egenskaber meget kraftigt på selv tilsyneladende mindre forstyrrelser. Denne ekstreme indstillingsevne er blevet stærkt eksemplificeret af de seneste fremskridt i en gruppe kagomesuperledere, AV₃ Sb₅ . Disse materialer viser elektroniske ordrer ved omkring 100 Kelvin Celsius og en superledende grundtilstand med en kritisk temperatur på ~ 3 K.

Ud over dette har et imponerende sæt eksperimenter vist, at "noget andet" sker i dette materiale, ofte forbundet med en begyndelsestemperatur på T'~ 30 K. Forskere forsøger at forstå arten af ​​disse ændringer og hvorfor de opstår. Hidtil har forskningsresultaterne været åbenlyst modstridende og stærkt omdiskuteret.

I deres nyligt offentliggjorte arbejde har forskerne påvist, at denne modstridende tilstand af litteraturen ved første øjekast er en funktion, ikke en fejl. Det er en direkte konsekvens af AV₃s ukonventionelle grundtilstand Sb₅ , som har flere sammenflettede elektroniske ordrer. Derfor kan eksterne forstyrrelser såsom belastning eller magnetfelt skubbe systemet ud af dets iboende grundtilstand, hvilket fører til kontroversielle eksperimentelle observationer.

For at identificere den iboende elektroniske grundtilstand uden forstyrrelser udviklede de en ny belastningsfri tilgang baseret på den fokuserede ion-stråle teknik til at isolere AV₃ Sb₅ fra forstyrrelser såsom termisk differentiel belastning.

Disse tekniske fremskridt gjorde det muligt for holdet at afsløre den iboende elektroniske grundtilstand utvetydigt, såvel som dens drastiske reaktion på eksterne forstyrrelser i disse kagomesuperledere. Deres arbejde giver et samlende billede af den kontroversielle ladningsorden i kagome-metaller.

De lette at manipulere elektroniske ordrer i kagome-metaller fremhæver behovet for materialekontrol i mikroskopisk skala for at identificere emergent symmetribrud i kvantematerialer. De peger også på den spændende vej mod fremtidens elektronik.

Da de forstyrrelser, der kræves for at ændre den elektroniske grundtilstand, er overordentlig små, giver undersøgelsen vigtig indsigt i de langvarige forslag til ikke-trivielle elektroniske applikationer baseret på elektroniske ustabiliteter i kvantematerialer. Det er klart, at elektroner lærer at danse til mange melodier i kagome-strukturer.

Flere oplysninger: Chunyu Guo et al., Korreleret rækkefølge ved vendepunktet i kagome-metallet CsV₃ Sb₅ , Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02374-z

Leveret af Max Planck Society